（生态学专业论文）基本于casa模型的祖厉河流域npp研究.pdf

蔺州幺害基于c 越a 模型的祖厉河流域脚研究 中文摘要 陆地生态系统在全球碳循环中起着源汇的双重作用，是人类活动与气候变 化相互作用的重要环节，陆地生态系统碳循环的研究有利于推动全球变化和生态 学的研究进展。对中国来说，碳循环的研究十分重要也十分紧迫，这关系到中国未 来能源政策和农业政策的制定及怎样履行。祖厉河流域的生态环境问题严峻，越 来越引起科研人员的关注。所以对祖厉河流域开展净第一性生产力( n p p ) 估算 的研究将有助于寻找到该流域植被固定c 0 2 的驱动因子，为流域生态环境保护提 供参考依据。 本论文选用c a s a ( c a r n e g i e - a m e s - s t a n f o r d a p p r o a c h ) 模型，结合多光谱 遥感资料和气候数据，在i d l 环境下编程实现对1 9 8 7 年7 月- - 2 0 0 3 年7 月祖厉 河流域净第一性生产力的时空分布和变化研究，并分析和探讨了引发n p p 变化 的驱动因子。研究结论如下： 1 从n p p 空间分布来看，祖厉河流域n p p 分布与降水空间分布变化紧密相关。流 域降水呈现明显的纬度地带性分布规律，自南向北逐渐减少，n p p 也自南向 北逐渐减小。 2 从n p p 年际变化来看，祖厉河流域1 9 8 7 ，1 9 9 3 ，2 0 0 0 ，2 0 0 3 年7 月份的n p p 分别为 1 5 2 4 9 6 3 7 6 9 c m ，1 4 4 3 2 7 8 8 8 9 c m ，1 3 5 8 8 1 4 9 5 9 c m ，1 7 4 3 4 1 5 3 5 9 c m 。n p p 从1 9 8 7 年7 月至2 0 0 0 年7 月逐步减少，2 0 0 0 年7 月至2 0 0 3 年7 月逐步增大，是一个先减 少后增多的变化过程。 3 从不同土地利用类型n p p 来看，祖厉河流域草地面积比例最大，其次是耕地， 两者所占n p p 也是流域各类土地利用类型n p p 的前两位。1 9 8 7 ，1 9 9 3 ，2 0 0 0 ， 2 0 0 3 年7 月草地n p p 比例分别是6 2 1 7 ，5 8 9 5 ，3 9 8 4 ，7 1 8 6 ；1 9 8 7 ，1 9 9 3 ， 2 0 0 0 ，2 0 0 3 年7 月耕地n p p 比例分别是3 5 4 9 ，3 7 9 0 ，5 8 0 6 ，2 5 6 1 。流 域草地n p p 变化趋势和合计n p p 变化趋势类似，耕地n p p 变化趋势和合计n p p 变化趋势相反。 4 1 9 8 7 年7 月一2 0 0 3 年7 月，祖厉河流域土地利用变化的整体趋势：1 9 8 7 年7 月一 1 9 9 3 年7 月，草地面积减少2 9 1 ，耕地面积增大2 8 5 ；1 9 9 3 年7 月一2 0 0 0 年7 月，草地面积减少0 2 7 ，耕地面积增大0 1 6 ；2 0 0 0 年7 月一2 0 0 3 年7 月，草地 面积增大2 5 6 ，耕地面积减少3 0 7 。 i v 两研幺孥基于c a 趴模型的祖厉河流域脚研究 5 祖厉河流域n p p 变化和气候以及土地利用变化关系密切。1 9 8 7 年7 月一2 0 0 0 年7 月，耕地面积增加，草地面积减少，气温升高，n p p 逐年减少；2 0 0 0 年7 月一 2 0 0 3 年7 月，耕地面积减少，草地面积增加，气温降低，n p p 逐年增加。 6 祖厉河流域位于黄土高原农牧交错带，草地是最适宜农牧交错带自然条件的 顶级植物群落。退耕还草顺应了农牧交错带的内在需要，流域n p p 逐步增加， 植被状况得到恢复。 关键词：祖厉河流域；碳循环；c a s a ；n p p ；土地利用变化 v 萄研幺窖 基于c a s a 模型的祖厉河流域n p p 研究 a b s t r a c t t e r r e s t r i a le c o s y s t e ms e r v ead o u b l ep u r p o s ea sc a r b o ns i n ko rs o u r c ci nt h e g l o b a lc a r b o nc y c l i n ga n di ti st h ek e yl i n ko ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nh u m a na c t i v i t y a n dc l i m a t ec h a n g e t h er e s e a r c ho fc a r b o nc y c l i n gw i l lh e l pt h ed e v e l o p m e n to f g l o b a lc l i m a t ec h a n g ea n de c o s y s t e m t h er e s e a r c ho fc a r b o nc y c l i n gi sv e r y i m p o r t a n ta n du r g e n tf o rc h i n a , b e c a u s ei tc o n c e r n sc h i n e s ef u t u r ee n e r g y a g r i c u l t u r a lp o l i c ya n dh o wt od ot h e m t h ee c o s y s t e mp r o b l e mi nz u l i h eb a s i nh a s b e c o m es e v e r e ，w h i c ha t t r a c t sm a n yr e s e a r c h e r s a t t e n t i o n t h e r e f o r et h er e s e a r c ho f c a l c u l a t i n gn e tp r i m a r yp r o d u c t i o ni nz u l i h eb a s i nc a l lh e l pt of i n dd r i v e rf a c t o ro f v e g e t a t i o nf i x i n gc 0 2a n dp r o v i d et h er e f e r e n c ef o rt h ep r o t e c t i o no fe c o l o g i c a l e n v i r o n m e n ti nz u l i h eb a s i n t h et h e s i si sa b o u tr e t r i e v i n gn p pi nz u l i h eb a s i nu s i n gc a s a ( c a r n e g i e a m e ss t a n f o r da p p r o a c h ) a n dm u l t i - s p e c t r a lr a d i o m e t r i cd a t ai ni d lp r o g r a m e n v i r o n m e n t ，o b t a i n i n gt e m p o r a la n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o no fn p pi nz u l i h eb a s i n d u r i n gj u l ，1 9 8 7t oj u l ，2 0 0 3 ，a n a l y z i n gv e g e t a t i o n sf e e d b a c ko nc l i m a t i cc o n d i t i o n s a n dl a n du s ec h a n g e s t h ec o n c l u s i o n sa r eb e l o w ： 1 a st ot h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fn p p ，s p a t i a ld i s t r i b u t i o no fn p pi nz u l i h eb a s i n i sh i g l l l yc o n s i s t e n tw i t ht h a to fp r e c i p i t a t i o n t h er a i n f a l lo fz u l i h eb a s i ni sh i g l l i ns o u t ha n dl o wi nn o r t h ，w h i c ha s s u m e dan o t a b l ed i s t r i b u t i o nl a wo fl a t i t u d e n p p g r a d u a l l yd e c r e a s e da st h er a i n f a l ld e c r e a s e df r o ms o u t ht on o r t h 2 a st ot h e t e m p o r a l d i s t r i b u t i o no fn p p ，n p po fz u l i h eb a s i ni nj u l ， 1 9 8 7 ，1 9 9 3 ，2 0 0 0 ，2 0 0 3a r e1 5 2 4 9 6 3 7 6 9 c m ，1 4 4 3 2 7 8 8 8 9 c m ，1 3 5 8 8 1 4 9 5 9 c m ， 1 7 4 3 4 1 5 3 5 9 c mi n d i v i d u a l l y f r o mj u l ，1 9 8 7t oj u l ，2 0 0 0 ，t h en p pi ns t u d y r e g i o nd e c r e a s e dg r a d u a l l y , a n di tb e g a nt oi n c r e a s ef o r mj u l ，2 0 0 0t oj u l ，2 0 0 3 t h ec h a n g et e n d e n c yi st h a tt o t a la m o u n to fn - p pf i r s td e c r e a s e da n dl a t e r i n c r e a s e d 3 a st ot h ed i f f e r e n tk i n d so fl a n du s e sn p p ，t h ea r e ar a t i oo fg r a s s l a n di nz u l i h e b a s i ni st h eh i g h e s t ，t h a to fc r o p l a n dc o m e sn e x t ，a n ds oa r et h e i rn p p t h en p p r a t i 0o fg r a s s l a n di nj u l y l 9 8 7 ，1 9 9 3 ，2 0 0 0 ，2 0 0 3a r e6 2 1 7 ，8 9 5 ，3 9 8 4 ， v i 萄埘幺害 基于c a s a 模型的祖厉河流域n 】咿研究 7 1 8 6 i n d i v i d u a l l y ；t h en p pr a t i oo fc r o p l a n di nj u l1 9 8 7 ，1 9 9 3 ，2 0 0 0 ，2 0 0 3a r c 3 5 4 9 ，3 7 9 0 ，5 8 0 6 ，2 5 6 1 i n d i v i d u a l l y c h a n g e so fg r a s s l a n dn p ps h o w s p o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t ht o t a ln p p ，a n dc h a n g e so fc r o p l a n dn p ps h o w sn e g a t i v e c o r r e l a t i o nw i t ht o t a ln p p 4 f r o mj u l ，1 9 8 7t oj u l ，2 0 0 3 ，t h el a n du s ec h a n g e si nz u l i h eb a s i na r e ：f r o mj u l ， 1 9 8 7t oj u l ，1 9 9 3 ，t h ea r e ao fg r a s s l a n dd e c r e a s e db y2 9 1 ，a r e ao fc r o p l a n d i n c r e a s e db y2 8 5 ；f r o mj u l ，1 9 9 3t oj u l ，2 0 0 0 ，t h ea r e ao fg r a s s l a n dd e c r e a s e d b y0 2 7 ，a r e ao fc r o p l a n di n c r e a s e db y0 1 6 ；f r o mj u l ，2 0 0 0t oj u l ，2 0 0 3 ，t h e a r e ao fg r a s s l a n di n c r e a s e db y2 5 6 ，a r e ao fc r o p l a n dd e c r e a s e db y3 0 7 5 n p pi nz u l i h eb a s i ni si nc l o s er e l a t i o n st ol a n du s ec h a n g e s f r o mj u l ，1 9 8 7t o j u l ，2 0 0 0 ，c r o p l a n di n c r e a s e db y3 0 1 ，g r a s s l a n dd e c r e a s e db y3 1 8 ，a n dn p p d e c r e a s e d1 6 6 1 4 8 8 1 9 c m f r o mj u l ，2 0 0 0t oj u l ，2 0 0 3 ，c r o p l a n dl a n dd e c r e a s e d b y3 0 7 ，g r a s s l a n di n c r e a s e db y2 5 6 ，a n dn p p i n c r e a s e d3 8 4 6 0 0 4 0 9 c m 6 z u l i h eb a s i ni si na g r i c u l t u r a la n dp a s t u r i n gi n t e r l a c e dz o n eo fn o r t h w e s tc h i n a ， a n dg r a s s l a n di st h em o s ts u i t a b l ep l a n tc o m m u n i t yi nt h ez o i i e r e t u r n i n gc r o p l a n d b a c kt og r a s s l a n da d j u s t e dt ot h ei n n e rd e m a n d so fa g r i c u l t u r a la n dp a s t u r i n g i n t e r l a c e dz o n e n p pi nz u l i h eb a s i nh a si n c r e a s e dg r a d u a l l y ，a n dv e g e t a t i o n c o n d i t i o nh a sb e e nr e s t o r e dt os o u n dh e a l t h k e yw o r d ：z u l i h eb a s i n ；c a r b o nc y c l i n g ；c a s a ；n p p ；l a n du s ec h a n g e s v 蔺埘虫害 基于c a s a 模型的祖厉河流域h p p 研究 缩略词 l i s to fa b b r e v i a t i o n 缩写词 f u l ln a m ei ne n g l i s h 中文名称 n d v i n o r m a l i z e dd i f f e r e n c ev e g e t a t i o n归一化差值植被指数 i n d e x t m t h e m a t i cm a p p e r专题制图仪 e r m +e n h a n c e dt h e m a t i cm a p p e r增强型绘图仪 g p pg r o s sp r i m a r yp r o d u c t i v i t y 总初级生产力 n p p n e tp r i m a r yp r o d u c t i o n 净初级生产力 n e pn e te c o s y s t e mp r o d u c t i o n净生态系统生产力 n b pn e tb i o m ep r o d u c t i v i t y净生物群区生产力 p a r p h o t o s y n t h e t i c a l l ya c t i v er a d i a t i o n光合有效辐射 a p a ra b s o r b e dp h o t o s y n t h e t i c a l l ya c t i v e植物所吸收的光合有效 r a d i a t i o n 辐射 f p a r f r a c t i o no f p h o t o s y n t h e t i c a l l y 植被对入射光合有效辐 a c t i v er a d i a t i o n 射的吸收比例 l u e l i g h t u s e e f f i c i e n c y 光能利用效率 d n d i 百t a l n u m b e r灰度值 t o a t o po fa t m o s p h e r e r e f l e c t a n c e表观反射率 p a cp o s ta t m o s p h e r i cc o r r e c t i o n 地物反射率 r e f l e c t a n c e e e te s t i m a t e d e v a p o t r a n s p i r a t i o n 实际蒸散量 p e tp o t e n t i a l e v a p o t r a n s p i r a t i o n 潜在蒸散量 i p c c i n t e r g o v e r n m e n t a l p a n e lo n国际气候变化理事会 c l i m a t ec h a n g e v m 蔺州幺害基于c a s a 模型的祖厉河流域n p p 研究 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下 独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或 未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经 注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日期： 两埘幺害 基于c a s a 模型的祖厉河流域n p p 研究 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知 识产权归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使 用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构 送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位 论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关 的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：导师签名：日期： l l i 萄哪幺害基于一模型的祖厉河流域脚研究 1 1 论文选题的重要意义 第一章绪论 1 1 1 陆地生态系统碳循环的几个概念 碳是地球上储量最丰富的元素之一。它广泛地分布于大气、海洋、地壳沉积 岩和生物体中，并随着地球的运动循环不止。同时碳又是有机化合物的基本成分， 是构成生命体的基本元素。碳循环还与生命活动紧密相联。亿万年来，在地球的 生物圈和大气圈中，碳通过生命的新陈代谢，往复循环，生生不息。无疑，碳在各种 生态过程以及人类活动过程中的重要角色决定了其成为最佳研究载体的地位。 不同的研究人员对地球系统碳循环有着不同的理解( m o o r ，1 9 9 4 ) 。但归根 到底，地球系统碳循环是指碳在地球系统中的迁移运动( 陈泮勤，2 0 0 4 ) 。这种 运动包括在物理、化学和生物过程及其相互作用驱动下，各种形态的碳在各个子 系统内部的迁移转化过程，以及发生在子系统之间( 即界面上，如陆气界面、海 气界面) 的通量交换过程。在陆地生态系统中，存在不断的能量和物质交换、流 动，其中能量在系统中的流动是一种单向流失过程，最后以热能形式损失掉。而 物质在系统中的流动则是一种循环运动，也就是说，各种尺度陆地生态系统碳循 环都是不同形式的碳由一个库向另一个库的流动和积累。以下是关于陆地生态系 统碳循环的四个基本概念： ( 1 ) g p p ( g r o s sp r i m a r yp r o d u c t i o n ，总初级生产力) ：生态系统中植物在单 位面积、单位时间内通过光合作用固定的碳总量。是进入陆地生态系统的初始物 质和能量。主要受c 0 2 浓度的影响( w a l k e ra n ds t e f f e n ，1 9 9 7 ) 。 ( 2 ) n p p ( n e tp r i m a r yp r o d u c t i o n ，净第一性生产力或者净初级生产力) ：生 态系统中，植物有机质的净生产量，也就是从g p p 中消耗用于自养呼吸( r a ) 之 后的部分。通常用于度量植被的生长和生殖，反映了植被的生长状况。 n p p = g p p r a( 1 1 ) ( 3 ) n e p ( n e te c o s y s t e mp r o d u c t i o n ，净生态系统生产力) ：生态系统的有机 物质或碳的净积累量，也就是活的植物体的生产量( n p p ) 减去有机物残体分解， 即异养呼吸( r h ) 后剩下的碳量。n e p 受制于多种环境因子，尤其是大气c 0 2 浓 度和气候因素。 蔺卅幺搴基于c a s a 模型的祖厉阿流域n p p 目f 究 n e p = n p p - r h ( 12 ) ( 4 ) n b p ( n e tb i o m ep r o d u c t i o n ，净生物群落生产力) ：表示一个区域内一个 生态系统( 或一个生物群落) 有机质的净生产量，这里的损失除了异养呼吸之外， 还包括其他扰动导致活的和死的有机质的损失。即净生态系统生产力减去人为或 自然破坏损失的碳量( l d ) 。它是应用于区域或者更大空间尺度的生物生产力概 念其值也就是全球变化研究中所使用的碳源与碳汇概念，可正可负。 n b p = n e p l i ) ( 1 3 ) 其中n p p 是植物自身生物学特性与外界环境因子相互作用的结果，是植物 光合作用有机物质的净创造，作为表征陆地生态过程的关键参数，是理解地表碳 循环过程不可或缺的部分，是估算地球承载能力和评价陆地生态系统可持续发展 的一个重要生态指标( 方精云，2 0 0 0 ) 。 陆地植物通过光合作用吸收c 将碳储存在植物体内，固定为有机化合物， 形成总初级生产量，同时，又通过在不同时间尺度上进行的各种呼吸途径或扰动 将c 0 2 返回大气，其中一部分有机物通过植物自身的呼吸作用( 自养呼吸) 和土 壤及枯枝落叶层中有机质的腐烂( 异养呼吸) 返回大气，一部分则通过火灾等各 种扰动释放c 0 ”这样就形成了大气一植被土壤一大气整个陆地生态系统碳循 环。图1l 为对全球陆地生态系统碳循环基本过程的描述( i p c c ，2 0 0 0 ) 。 * ，蒜c “差絮巴。姜慧巴。蕊毳，。 圈圈圈 困因囡 图ll 全球旆地生态系统碳收支( i p c c ，2 0 0 0 ) 萄研戈孥基于c 怂a 模型的祖厉河流域胛p 研究 1 1 2 陆地生态系统碳循环的重要意义 1 1 2 1 全球变暖与碳循环的相互作用 地球系统的能量来源于太阳。地球的表面温度在地球接收到的太阳辐射总量 一定的情况下，取决于从地球失散到外层空间的辐射能量。地面和大气层在整体 上吸收太阳辐射后能释放红外辐射到外太空以期达到平衡，但是由于受到温室气 体( 主要包括水汽、二氧化碳、甲烷、氮氧化物、臭氧、氟氯烃等) 的影响，大 气层吸收一部分红外线辐射能量，减小了地球表面向外太空释放的能量，结果使 得大气低层和地面增暖。如果不存在温室气体的温室效应，地球表面的辐射平衡 温度应该是- 1 8 。c 左右，正是由于大气的温室效应，才使得地球表面的平均温度 为适宜生物生存的1 5 左右。 气候变暖作为全球变化的主要表现之一( i p c c ，1 9 9 1 ，1 9 9 7 ，2 0 0 1 ) ，已经成为 一个不争的事实。它是指当前的全球平均温度比过去数千年平均气温要高的现象 ( i p c c ，2 0 0 1 ) 。目前，有充分的证据表明，人类活动导致了大气层中“温室气体 的不断累积，从而使得全球气温逐步上升( i p c c ，1 9 9 7 ) 。c o 。的增加主要是人类使 用化石燃料所致，而c h 4 和n o 的增加主要是由于人类的农业生产活动目前，这些 气体已经大大超出了根据冰芯记录得到的工业化前几千年来的浓度值，其中c o s 浓度从工业化前的约0 2 8m l l 增加到2 0 0 5 年的0 3 7 9m l l ，c a , 浓度值从工 业化前的约7 1 5 1 0 4 m l l 增加到2 0 0 5 年的1 7 7 4 1 0 3 m l l ，n 。0 浓度从工业化 前的约2 7 1 0 4 m l l ，增加到2 0 0 5 年的3 1 9x1 0 。4 m l l ( 国家气候中心，2 0 0 7 ) 这些源自人类活动导致的温室气体增加了自然的温室效应，被称为“增强的温室 效应。增强的温室效应使得自1 8 6 0 年有气象仪器观测记录以来，全球平均温 度升高了0 6 0 2 c ( i p c c ，2 0 0 1 ) ，2 0 世纪是过去千年来最暖的世纪( h a n s e n e ta l ，2 0 0 6 ) 。c r o w l e y 利用能量平衡模式( e n e r g yb a l a n c ec li m a t em o d e l ) 研 究了近1 0 0 0 年来北半球的气温变化，他认为，2 0 世纪的升温中，温室气体的强迫 贡献已超过了气候的自然变化( c r o w l e ytj ，2 0 0 0 ) 虽然温室气体中最重要的是水汽，但是水汽是由自然决定的，不受人类的活 动的影响。直接受人类活动影响的主要温室气体是c 0 2 ，c 地，n ：0 ，d f c s ，0 3 等。其中 c 0 2 浓度的增加对增强温室效应的贡献最大，约占7 0 ，其次是c h 贡献约占2 3 ，n 2 0 约占7 ( h o u g h t o n ，1 9 9 8 ) 。 3 蔺研虫害 基于c a s a 模型的祖厉河流域n p p 研究 陆地生态系统碳循环是当前全球变化研究中的重点，它与全球气候变化间 的关系密切而又复杂。一方面，c o s 浓度的增加是气候变暖的主要原因：另一方面， 气候变暖将导致全球陆地生态系统碳循环的变化，原有的碳平衡状态被破坏，同 时也引发一系列环境问题( 如海平面上升、降水格局变化等) ( i p c c ，2 0 0 1 ) 。 c o x ( 2 0 0 0 ) 等利用耦合碳反馈的气候模型预测了大气温度的变化，到2 1 0 0 年全球 平均气温要比现在高出5 5k ，比不考虑碳反馈作用的情景( s c e n a r i o ) 要高出1 5 k ，这说明碳循环与气候变化间存在着正反馈。f r i e d l i n g s t e i n ( 2 0 0 3 ) 等利用 h a d l e y 和i p s l 两个模型研究了1 8 6 0 到2 1 0 0 年一个半世纪的气候变化，结果表 明土壤固定更多的碳，可以减缓气候变暖的速率。总之，气候变暖对陆地生态系统 的影响是当前全球变化研究中的核心问题而气候变暖对陆地生态系统碳循环的 影响及陆地生态系统碳循环对气候变暖的反馈作用是全球变化研究中的重中重 ( i p c c ，2 0 0 1 ) 。 1 1 2 2 土地利用土地覆盖变换与碳循环 土地利用覆盖变化( l u c c ) 是除了工业化之外，人类对自然生态系统的最大 影响因素( t u r n e r ，e ta 1 ，1 9 9 7 ；l a m b i n ，e ta 1 ，2 0 0 1 ) ，对土地利用覆盖变化 的影响的研究实际上就是对人类与土地关系的探讨。土地利用覆盖变化是未来 几十年间人类社会面临的最大挑战之一：陆地生态系统必须提供满足人类和其它 物种需求的足够食物，并提高数量不断增长的人类的生活质量，同时保持土地利 用的可持续性。然而，农田面积扩大、城市用地增加和森林砍伐等用于满足人类 需求的措施正在毁坏土地利用覆盖的可持续性。目前，许多政府和研究机构正在 广泛关注土地利用覆盖变化产生的后果。跨国研究项目不断增加，比如，美国 n a s a 土地利用覆盖变化研究项目( t h el a n du s ea n dl a n dc o v e rc h a n g e p r o g r a mo ft h en a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n ) 、美国政 府气候变化科学项目中的土地利用覆盖子项目( t h el a n du s ep r o g r a me l e m e n t i nt h ei n t e r a g e n c yusc li m a t ec h a n g es c i e n c ep r o g r a m ) 以及i g b p 土地利 用覆盖变化核心项目( t h ei n t e r n a t i o n a lg e o s p h e r eb i o s p h e r e sl a n du s ea n d c o v e rc h a n g e ( l u c c ) c o r ep r o j e c t ) 、国际应用系统分析研究所土地利用覆盖和 农业研究项目( 1 a n du s ec h a n g ea n da g r i c u l t u r ep r o g r a m , i n t e r n a t i o n a l i n s t i t u t eo fa p p l i e ds y s t e m sa n a l y s i s ，i i a s a ) 等。 4 蔺州幺孥基于c a s a 模型的祖厉河流域n p p 研究 为什么土地利用覆盖发生变化? 土地利用覆盖变化在何时、何地发生? 它是 如何发生的? 土地利用覆盖发生变化的后果是什么? 这些都是土地利用覆盖变 化研究中要回答的基本问题。从这些问题出发，过去5 0 年间，陆地生态系统对土 地利用覆盖变化的响应已开展了大量研究，并取得了很多成果，理论分析结合调 查数据统计是最为普遍的研究途径，而近2 0 多年以来，随着卫星遥感技术的发展 以及实验方法的不断提高和模型开发、应用的逐渐成熟，利用遥感和模型方法来 研究大尺度土地利用覆盖变化对生态系统过程的影响成为最有效的手段。土地 利用覆盖类型是决定陆地生态系统碳储存的重要因素，土地覆盖形式由一种类 型转变为另一种类型往往伴随着大量的碳交换( b o l i n & s u k u m a r ，2 0 0 0 ) 。随着地 理信息系统、遥感和模型的发展，对土地利用覆盖变化本身的研究越来越成熟： 而同时随着对土地利用覆盖变化生态效应的研究逐渐增多，土地利用覆盖变化 对生态系统碳循环的影响机制也逐渐清晰。但是，目前在大尺度上利用遥感和模 型手段估算土地利用覆盖变化对生态系统碳氮循环的影响还存在很大的不确定 性。在全球碳平衡的计算中，土地利用覆盖变化是估测陆地生态系统碳储存和碳 释放中最大的不确定因素( k i n ge ta 1 ，1 9 9 5 ；l e v ye ta 1 ，2 0 0 4 ) 。对2 0 世 纪9 0 年代的碳平衡估算发现，1 0 年期间全球每年大约有2 9 p g c ( 1 p g = 1 0 1 5 9 ) 的“碳失汇( m i s s i n gc a r b o ns i n k ) ( s c h i m e le ta 1 ，2 0 0 1 ) 。由于海洋碳汇较 小( 约为2 0 p g c a - 1 ) ，不确定性也很小( s i e g e n t h a l e r & o e s c h g e r ，1 9 7 8 ) ，因此， 全球碳汇的增加大部分存在于不确定性很大的陆地生态系统中( t a n s ，e ta 1 ， 1 9 9 0 ) 。这些“失汇被认为可能来源于植物生长量的增加( s c h i m e l ，1 9 9 5 ： k e e li n ge ta 1 ，1 9 9 6 ：w a l k e r e ta 1 ，1 9 9 9 ：c a s p e r s e ne ta 1 ，2 0 0 0 ) 或土壤碳储 存增加( f i s h e re ta 1 ，1 9 9 4 ，s c h l e s i n g e r ，1 9 9 9 ：p a c a l a ，e ta 1 ，2 0 0 1 ) ，而土 地利用覆盖变化无疑是影响植物生长和土壤碳储存量的主要原因之一 ( c a n a d e ll ，2 0 0 2 ) 。 土地利用覆盖变化也会影响陆地生态系统的功能，改变生态系统的小气 候状( s c o t te ta 1 ，1 9 9 9 ) 以及物理化学性质，从而影响凋落物的质量( 碳氮比、 单宁和纤维素含量等) 和分解速率、土壤生物( 动物和微生物) 组成、土壤物理结 构( 砂砾、粘粒、粉粒组成以及土壤粘聚体结构) ( h e a le ta 1 ，1 9 9 7 ) 、土壤碳、 氮、水含量、土壤有机质质量( 易分解和不易分解的有机质比例) ( h e a le ta l ， 5 蔺研幺害 基于c a s a 模型的祖厉河流域n p p 研究 1 9 9 7 ：t a t ee ta 1 ，2 0 0 0 ：i s l a m & w e i l ，2 0 0 0 ) 等。这些因素进而都会影响生态系 统碳循环过程，进一步影响到生态系统的碳储存和释放。因此，土地利用覆盖的 改变将会对生态系统的碳循环产生巨大影响，而不同类型的土地利用覆盖变化 对于生态系统碳循环的影响是截然不同的。 森林、草地与农田的相互转化森林生态系统是最大的陆地碳库，因此，即使森 林面积发生很小的变化，都可能引起全球陆地生态系统碳循环的极大变化。由于 造林( a f f o r e s t a t i o n ) 、再造林( r e f o r e s t a t i o n ) 和森林砍伐( d e f o r e s t a t i o n ) 的 统计数据目前还有很多不确定性，对森林转化为草地和农田所造成的碳收支估测 很不一致。 当森林转化为草地时，大部分的地上生物量碳将以c 0 2 的形式释放到大气中， 尽管c o s 释放速率受人类利用方式的影响。同时，树木根系的分解也会释放大量 c o s 。由于森林的地上和地下生物量在大多数情况下都高于草地的相应部分，因此， 森林转化为草地的过程是大气c o s 的净释放源。但是，部分研究表明，这种土地利 用覆盖转化方式也有可能增加或减少土壤的有机碳库，甚至不产生任何影响，也 就是说，森林转化为草地后，土壤可能成为碳汇或碳源( h o u g h t o n ，1 9 9 5 ； p o s t & k w o n ，2 0 0 0 ；f r a n z l u e b _ b e r s e te ta l ，2 0 0 0 ) 。土壤的碳源汇关系主要取决 于草地类型、草地所处的气候区域、干扰状况以及管理措施等。 在森林或草地生态系统中，植物体贮存的碳通过分解等方式进入到土壤中， 因而森林和草地土壤在植被演替过程中土壤碳储量有可能不断增加直到演替的 顶级阶段( w a r i n g & r u n n i n g ，1 9 9 8 ) 。与森林转化为草地不同的是，当森林或草地 转化为农田后，大部分的农田地上生物量都被收获，而只有很少农作物残茬遗留 在土壤中( 尽管农田的每年生产力都很高) 。这些被收获的生物量最终都以c o s 的 形式释放到大气中。同时，由于耕种措施的采用，农田土壤有机质的分解速率加快， 因此，无论是草地还是森林转化为农田后，土壤的碳储量都会减少( h o u g h t o n & g o o d a l e ，2 0 0 4 ；g u o & g i f f o r d ，2 0 0 2 ) ，而土壤碳储量减少速率受周转时间、农田管 理措施以及农作物种类等因素影响。因此，森林和草地向农田的转化都会造成大 量土壤有机碳释放到大气中。h o u g h t o n 和g o o d a l e ( 2 0 0 4 ) 通过进一步总结分析更 全面的实验数据，认为从草地或森林转化为农田将会有约2 7 的土壤有机碳被释 放到大气中。考虑到土壤是陆地生态系统的第一大碳库，而且农田面积还正在不 6 萄卅幺乎 基于c a s a 模型的祖厉河流域n p p 研究 断增加，尤其是发展中国家，森林或草地向农田的转化是除工业化外造成大气c q 含量急剧增加的最主要原因。 目前，全球湿地生态系统面积约为5 3 0 - 5 7 0 m h m 2 ，约占整个陆地面积的 4 - 6 ( m a t t h e w s & f u n g ，1 9 8 7 ；a s e l m a n n & c r u t z e n ，1 9 8 9 ) ，总碳储量为3 5 0 5 3 5p g c ， 大约相当于世界土壤有机碳含量的2 0 - 2 5 ( g o r h a m ，1 9 9 5 ) 。由于人口的持续增 加和工业化进程的不断加快，世界范围内的许多湿地生态系统( 不包括水稻等人 工湿地，特指自然湿地生态系统) 都转化为旱生植被生态系统、城市用地或农田。 而且尽管湿地面积减少速率下降，但是，这种减少趋势还在继续。湿地生态系统是 陆地生态系统的重要碳库( i p c c ，2 0 0 1 ：p a t t e r s o n ，1 9 9 9 ) 约占全球陆地生态系统 碳库1 0 9 6 。如果湿地生态系统遭到破坏或转化为其它土地利用覆盖类型，将会释 放大量的碳。在湿地逐渐旱化过程中，尽管植被生物量碳可能增加，比如，草地湿 地转化为林地，但是除了一些沙质和裸露湿地外，大多数情况下，都会造成更多的 土壤碳释放到大气中( m i t r a e te ta l ，2 0 0 5 ) 。 城市扩张( 这里所指的城市不包括城市森林或草地) 是最为重要的土地利用 覆盖变化类型之一。目前，城市面积的扩展速度已经超过了人口的增加速度 ( j o h n s o n ，2 0 0 1 ) 。由于城市化会带来大量的工业碳释放，因此城市化现象备受关 注，而城市化带来的非工业化碳排放的变化却很少引起人们的注意。城市用地的 来源有很多种，有水域、森林、草地、裸地或农田等，由此带来的非工业碳排放的 变化就存在很大差异。如果森林或草地转化为城市用地，由于植物地上生物量会 以c 0 。的形式释放到大气中，这种转化表现为碳源：而如果农田转化为城市用地， 由于农田被认为是碳源，而城市非工业化碳释放被认为是零，那么这种转化过程 就表现为碳汇。目前，中国、印度等大多数发展中国家的城市用地都是由农田面 积转化而来，而美国、加拿大、西欧等国家的城市面积大部分从森林转化而来， 相比之下，中国、印度等国的城市扩张可能会减少该国的碳释放，而美国等发达国 家的城市化则可能是碳源。尽管这个结论目前并没有明确的证据，但是，这个结论 的产生是合理的。另一个研究城市化对碳循环影响被忽略的方面是，城市用地( 水 泥、柏油或其它不透水层) 下土壤碳的去向问题。被封存在城市用地下的土壤碳 能否释放出来呢? 如果会的话，那么目前大多数模型都把城市看成是一个零( 或很 低) 碳释放量的区域，将低估土地利用覆盖变化引起的生态系统碳释放。城市用 7 萄哪幺害 基于c a s a 模型的祖厉河流域n p p 研究 地下的土壤碳是否会释放到大气中来还有待于今后的试验验证。 1 2 陆地生态系统碳循环模型研究进展及发展趋势 为研究陆地碳循环与全球变化之间复杂的相互作用，以及实现碳循环的定量 模拟和预测，模型方法已经成为陆地碳循环研究中不可替代的手段。 从2 0 世纪中期开始，全球碳循环的研究就在多个领域开展起来了。国外大量 研究人员建立了各种基于机制的模型来评价从区域到全球尺度的陆地生态系